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工程科技是改變世界的現(xiàn)實(shí)的、直接的生產(chǎn)力，工程前沿代表著工程科技未來(lái)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向。當(dāng)今時(shí)代，世界面臨百年未有之大變局，新冠肺炎疫情全球大流行進(jìn)一步加劇全球發(fā)展的不確定性，科技前沿識(shí)別與預(yù)見(jiàn)是應(yīng)對(duì)“不確定”的關(guān)鍵，是準(zhǔn)確識(shí)變、科學(xué)應(yīng)變、主動(dòng)求變的基礎(chǔ)。為研判工程科技前沿趨勢(shì)，挖掘改造世界的未知力量，探索未來(lái)世界“確定性”，作為國(guó)家工程科技界最高咨詢性學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的中國(guó)工程院自2017年起連續(xù)開(kāi)展全球工程前沿咨詢研究項(xiàng)目，每年發(fā)布全球工程前沿和工程開(kāi)發(fā)前沿報(bào)告，以期引導(dǎo)工程科技的創(chuàng)新發(fā)展，營(yíng)造尊重和崇尚工程科技創(chuàng)新的氛圍，為應(yīng)對(duì)和解決重大傳染性疾病、氣候變化、可持續(xù)發(fā)展等全球性發(fā)展難題和挑戰(zhàn)提供了新路徑。

一、工程前沿發(fā)展趨勢(shì)

2021年度全球工程前沿研究在以專(zhuān)家為核心、數(shù)據(jù)為支撐的原則下，通過(guò)近6年167.24萬(wàn)篇高被引論文聚類(lèi)獲得機(jī)械與運(yùn)載工程、信息與電子工程、化工冶金與材料工程、能源與礦業(yè)工程、土木水利與建筑工程、環(huán)境與輕紡工程、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、工程管理9大領(lǐng)域的775個(gè)備選研究熱點(diǎn)，通過(guò)對(duì)50多萬(wàn)個(gè)專(zhuān)利主題聚類(lèi)獲得53張ThemeScape專(zhuān)利地圖。進(jìn)而通過(guò)多輪的專(zhuān)家研討以及專(zhuān)家與數(shù)據(jù)交互，獲得298個(gè)備選研究前沿和174個(gè)備選開(kāi)發(fā)前沿。經(jīng)過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和專(zhuān)家研判最終形成工程研究前沿和工程開(kāi)發(fā)前沿各93個(gè)。通過(guò)對(duì)2021年度93個(gè)工程研究前沿和工程開(kāi)發(fā)前沿的總體分析，發(fā)現(xiàn)全球工程前沿呈現(xiàn)出四個(gè)趨勢(shì)：

（一）智能技術(shù)正帶來(lái)范圍更廣、層次更深的變革，并將深刻改變社會(huì)與生產(chǎn)形態(tài)。一是智能技術(shù)的算力得到顯著增強(qiáng)。本年度全球工程前沿顯示以光路與電路混合集成芯片制造、量子計(jì)算、存算一體技術(shù)等算力技術(shù)不斷取得新進(jìn)展，智能技術(shù)的底層基礎(chǔ)得到進(jìn)一步夯實(shí)。二是智能技術(shù)的算法不斷強(qiáng)化，近年來(lái)深度學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等算法不斷突破，算法模型的通用性、便捷性、可解釋性不斷提升，夯實(shí)智能計(jì)算的核心技術(shù)。三是智能技術(shù)助推科技創(chuàng)新，新一代人工智能相關(guān)技術(shù)與多學(xué)科的交叉融合強(qiáng)有力地推動(dòng)了其他工程科技領(lǐng)域數(shù)據(jù)研究范式與基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新發(fā)展。尤其是在生命科學(xué)領(lǐng)域，智能技術(shù)在基因編輯靶點(diǎn)識(shí)別、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、醫(yī)藥研發(fā)、藥物設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)等方面取得了重要突破。四是智能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，正加快現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的提升。一方面智能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)加速融合，不斷推進(jìn)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步。機(jī)器人化增材制造、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式智能制造決策優(yōu)化技術(shù)、智能可重構(gòu)制造技術(shù)等將不斷助推制造業(yè)向個(gè)性化定制、柔性化生產(chǎn)、服務(wù)型制造、智能化預(yù)測(cè)的方向轉(zhuǎn)型。另一方面智能技術(shù)與生命科技不斷交叉，推動(dòng)醫(yī)療健康新變革。人工智能輔助智能診斷、智能治療、智能疾病預(yù)警預(yù)測(cè)干預(yù)、智能群體健康管理和智能醫(yī)藥監(jiān)管等取得新突破；5G等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助推互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院發(fā)展，不斷提升一體化公共衛(wèi)生應(yīng)急響應(yīng)能力。

（二）數(shù)據(jù)資源日益成為工程科技研究的關(guān)鍵要素。一是數(shù)據(jù)推動(dòng)科技研究范式的變革。大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、關(guān)聯(lián)和可視化技術(shù)的發(fā)展，極大推動(dòng)了生物、材料、醫(yī)學(xué)、工程管理等領(lǐng)域進(jìn)入數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究范式，相關(guān)研究向可定量、可計(jì)算、可調(diào)控、可預(yù)測(cè)方向躍升。二是工程科技創(chuàng)新對(duì)數(shù)據(jù)的依賴程度將越來(lái)越高，一方面工程科技創(chuàng)新越來(lái)越需要數(shù)據(jù)的積累，傳統(tǒng)的樣本、統(tǒng)計(jì)、測(cè)試數(shù)據(jù)需求已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)、全面、全過(guò)程數(shù)據(jù)，另一方面基于海量數(shù)據(jù)的自我監(jiān)督學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等正不斷助推工程科技創(chuàng)新。三是數(shù)據(jù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)價(jià)值躍升。數(shù)字孿生、多維深度融合建模計(jì)算、數(shù)字畫(huà)像等技術(shù)支撐智能制造、智能建造、智能服務(wù)和個(gè)性化定制等新產(chǎn)業(yè)形態(tài)。四是數(shù)據(jù)成為社會(huì)治理重點(diǎn)。新一代密碼技術(shù)、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)虛擬身份管理等安全前沿技術(shù)不斷取得突破，數(shù)據(jù)應(yīng)用在合規(guī)性和便捷性之間將不斷平衡。

（三）綠色低碳成為工程科技發(fā)展新路徑。一是能源生產(chǎn)消費(fèi)方式不斷向清潔、低碳等替代方向加速轉(zhuǎn)化，新一代低碳能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)加快布局，核能、太陽(yáng)能、氫能等可再生能源已成為全球能源增量主體，并向多元協(xié)調(diào)方向發(fā)展。二是低碳技術(shù)不斷發(fā)展。提高能源利用效率已成為全球應(yīng)對(duì)氣候變化的重要選擇，化學(xué)燃料的高效低排放技術(shù)不斷發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)和智能電力系統(tǒng)加快發(fā)展，新能源汽車(chē)加快向市場(chǎng)滲透。三是低碳技術(shù)成為全球競(jìng)爭(zhēng)新熱點(diǎn)。二氧化碳捕集、利用和封存已經(jīng)成為全球碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，二氧化碳驅(qū)替其他資源和利用技術(shù)成為新興方向，二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)也成為環(huán)境研究的重點(diǎn)。

（四）“后疫情時(shí)代”工程科技的發(fā)展將更貼近現(xiàn)實(shí)需求。一是問(wèn)題導(dǎo)向、結(jié)果驅(qū)動(dòng)越發(fā)成為各國(guó)工程科技發(fā)展的重點(diǎn)。事關(guān)人類(lèi)生命健康、國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力提升、國(guó)家安全方面的研究越發(fā)成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。二是應(yīng)對(duì)疫情的相關(guān)技術(shù)得到極大發(fā)展，以疫苗、數(shù)據(jù)跟蹤為代表的新冠肺炎疫情防控技術(shù)、適應(yīng)遠(yuǎn)程辦公與生產(chǎn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬與現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)得到階段躍升。三是適應(yīng)后疫情時(shí)代，科學(xué)研究和生產(chǎn)生活的相關(guān)技術(shù)也快速發(fā)展。同時(shí)，后疫情時(shí)代也改變了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)構(gòu)和布局，進(jìn)而影響工程科技創(chuàng)新的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與合作。

二、分領(lǐng)域工程前沿發(fā)展趨勢(shì)

（一）機(jī)械與運(yùn)載工程。機(jī)械與運(yùn)載工程領(lǐng)域的前沿呈現(xiàn)出兩大特點(diǎn)：一是多學(xué)科交叉融合，如柔性內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人、仿昆蟲(chóng)微型撲翼飛行器、仿生水下航行器推進(jìn)與控制技術(shù)、折紙力學(xué)超材料等。二是機(jī)械與運(yùn)載工程智能化、無(wú)人化將成為主體趨勢(shì)，這將顯著提高作業(yè)質(zhì)量、工作效率與可靠性。如大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式智能制造決策優(yōu)化技術(shù)、城市智能客車(chē)多模態(tài)感知與自主決策技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的城市交通流量智能預(yù)測(cè)方法、水下無(wú)人航行器、無(wú)人載具軌跡精確跟蹤控制、水面無(wú)人集群自組織與協(xié)同控制技術(shù)。

（二）信息與電子工程。信息與電子工程領(lǐng)域是構(gòu)建未來(lái)智能社會(huì)的關(guān)鍵，是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生活質(zhì)量提高的重要使能技術(shù)。本年度信息與電子工程領(lǐng)域的工程研究前沿重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)在算力、算法的提升，感知能力的增強(qiáng)和人機(jī)交互領(lǐng)域的強(qiáng)化。工程開(kāi)發(fā)前沿重點(diǎn)關(guān)注芯片集成技術(shù)、微納米制造技術(shù)、人工智能應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)品等。信息與電子工程領(lǐng)域前沿充分體現(xiàn)了工程前沿與生產(chǎn)力的高度融合發(fā)展，基于應(yīng)用場(chǎng)景需求的創(chuàng)新正快速實(shí)現(xiàn)突破。

（三）化工、冶金與材料工程。綠色、低碳、高效、智能已成為化工、冶金與材料工程領(lǐng)域的持續(xù)性特征。圍繞信息、能源、環(huán)境、生物、裝備等領(lǐng)域以及產(chǎn)業(yè)變革等的戰(zhàn)略需求，化工冶金材料呈現(xiàn)出高性能、高效率、低排放、低成本的供給保障科技創(chuàng)新趨勢(shì)。本年度的高性能儲(chǔ)能材料、低成本高效率鈣鈦礦電池、均質(zhì)化高熵合金制備技術(shù)、低碳冶金等均體現(xiàn)了這一趨勢(shì)。此外化工領(lǐng)域與生物、信息技術(shù)的融合交叉也不斷助推傳統(tǒng)領(lǐng)域的研究發(fā)展。

（四）能源與礦業(yè)工程能源領(lǐng)域。前沿的核心是推動(dòng)傳統(tǒng)能源清潔低碳發(fā)展，提升新能源的經(jīng)濟(jì)化，提高能源的智能化，本年度的工程前沿集中在核能、氫能、頁(yè)巖氣、天然水合物等的高效開(kāi)發(fā)、電力系統(tǒng)的智能調(diào)控等。礦業(yè)工程領(lǐng)域前沿的關(guān)鍵是深部富礦的勘察開(kāi)發(fā)與智能化，以及極端環(huán)境下相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研制，助力全球礦業(yè)從淺表勘察開(kāi)采走向深部勘察和開(kāi)采，如本年度的高溫壓致密硬巖高效破巖機(jī)理、礦山災(zāi)害隱患多元信息感知預(yù)警分析、智能高效鉆具組合與鉆完井技術(shù)等。

（五）土木、水利與建筑工程。土木、水利和建筑工程前沿關(guān)注的核心主題是推動(dòng)綠色、安全、生態(tài)、智慧的高品質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。本年度跨流域調(diào)水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、低碳長(zhǎng)壽命水泥基材料等前沿主要體現(xiàn)綠色化特征；可恢復(fù)功能防震韌性結(jié)構(gòu)體系、柔性結(jié)構(gòu)的流致振動(dòng)及減振、交通基礎(chǔ)設(shè)施韌性提升、混凝土裂縫智能感知與生物修復(fù)技術(shù)主要是提升基礎(chǔ)設(shè)置的安全性；面向智慧可持續(xù)城市的時(shí)空大數(shù)據(jù)感知方法、全域全要素的數(shù)字孿生城市感知和仿真技術(shù)、智能化一體式污水處理裝置等前沿的核心是智慧化。

（六）環(huán)境與輕紡工程。環(huán)境領(lǐng)域工程前沿主要著眼于環(huán)境質(zhì)量的提升。當(dāng)前環(huán)境工程前沿的重點(diǎn)集中在大氣、水體、土壤的復(fù)合污染的產(chǎn)生機(jī)理及其控制與生態(tài)協(xié)同修復(fù)；伴隨著全球綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，氣候變化，碳固定技術(shù)、碳庫(kù)研究等已成為環(huán)境的研究重點(diǎn)，如土壤碳庫(kù)對(duì)全球氣候變化響應(yīng)機(jī)制、復(fù)合型極端氣候事件與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究等。輕紡工程的前沿主要集中在個(gè)性化、智能化、生物相容性以及和環(huán)境友好型技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，如超浸潤(rùn)生物質(zhì)基復(fù)合纖維的制備與功能化應(yīng)用研究、個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)健康食品靶向設(shè)計(jì)及智能配餐技術(shù)等。

（七）農(nóng)業(yè)?，F(xiàn)代生物技術(shù)與信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域工程前沿進(jìn)步的重要引擎。農(nóng)業(yè)前沿技術(shù)的趨勢(shì)體現(xiàn)在生物化、信息化、無(wú)害化、循環(huán)化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，如基因技術(shù)和雜交技術(shù)育種設(shè)計(jì)、人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用等。農(nóng)業(yè)與生態(tài)的精準(zhǔn)化、集約化和高值化已呈現(xiàn)出應(yīng)用的趨勢(shì)，如智能感知與飼料精準(zhǔn)供給等。與此同時(shí)，生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合將成為新一輪的農(nóng)業(yè)工程科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

（八）醫(yī)藥衛(wèi)生。滿足人類(lèi)健康需求，基于問(wèn)題的前沿開(kāi)發(fā)越發(fā)成為醫(yī)藥衛(wèi)生工程前沿的核心驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前，人類(lèi)面臨著慢性非傳染性疾病和傳染性疾病的雙重威脅，醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域圍繞“促、防、診、控、治、康”開(kāi)展。本年度的醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域工程前沿重點(diǎn)集中在新型冠狀病毒分子機(jī)制及其防控、診療研究、生命健康機(jī)理的探索、藥物治療的機(jī)制及其健康促進(jìn)、預(yù)防、診斷、控制、治療、康復(fù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

（九）工程管理。大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展極大催生了工程管理領(lǐng)域工程前沿的發(fā)展。本年度工程管理領(lǐng)域工程前沿呈現(xiàn)出三大趨勢(shì)，一是學(xué)科交叉更為明顯，工程管理、應(yīng)用場(chǎng)景領(lǐng)域與新一代信息技術(shù)三重融合，催生了工程管理新理論新技術(shù)的產(chǎn)生；二是緊密聯(lián)系社會(huì)發(fā)展，側(cè)重問(wèn)題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向。本年度的重大傳染病疫情的建模與預(yù)測(cè)研究、能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型管理與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究、人工智能對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和要素分配的影響研究等都體現(xiàn)了問(wèn)題導(dǎo)向與需求導(dǎo)向。

三、小結(jié)

工程科技是連接科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵紐帶，工程前沿趨勢(shì)的研判，對(duì)把握全球科技發(fā)展大勢(shì)，降低科技革命的“不確定”性，推動(dòng)工程科技與產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要的意義?？傮w上，五年來(lái)全球工程前沿年度報(bào)告數(shù)據(jù)顯示出：工程前沿正呈現(xiàn)出多點(diǎn)突破、互動(dòng)創(chuàng)新、跨界變革與邊際演進(jìn)的特征。國(guó)際合作方面，機(jī)械領(lǐng)域的國(guó)際合作呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但校企合作呈上升趨勢(shì)；醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)，其他六個(gè)工程領(lǐng)域呈波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，基于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與需求導(dǎo)向的工程前沿?cái)?shù)量正逐漸增多?！笆奈濉逼陂g，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速拓展期，是我國(guó)開(kāi)啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新階段?；?021年度全球工程前沿趨勢(shì)情況，現(xiàn)階段急需處理好科技自立自強(qiáng)與開(kāi)放合作的關(guān)系，在不斷開(kāi)放中尋求自立自強(qiáng)；急需凝練好產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題與社會(huì)核心需求，為我國(guó)未來(lái)工程科技布局提供核心支撐。

作者:鄭文江 穆智蕊 單位:中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心